城市排水泵站穿越堤防對河道行洪及堤防穩定的影響評價

阮 偉，張 鍇

（1.武漢市城市建設投資開發集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢臨空經濟區建設投資開發集團有限公司，湖北 武漢 430000）

排水泵站工程是保障城市安全、維護社會穩定的重要基礎設施[1]。為提高區域排澇防災能力，武漢市規劃建設了琴斷口泵站及配套排水工程。根據國家有關規定，建設穿堤、臨河的排水工程設施，應不得危害堤防安全，妨礙行洪暢通[2]。為確保涉堤工程的順利實施與防洪安全，需開展防洪影響專題研究[3-4]。本文從工程修建后對河道行洪與堤防安全穩定影響上進行計算分析，得出評價結論并提出相關措施建議。

1 工程概況

琴斷口泵站及配套排水工程設計規模20 m3/s，位于武漢市漢陽區琴臺大道北側與漢江堤防保護線南側之間，主要建設內容包括進水管道、泵站及排江壓力管道、自排箱涵。壓力管道排江口位于漢江匯入長江口上游約6.3 km，布置3 根DN2000 管道翻堤入江，自排箱涵（BH＝2.6 m×2.2 m）就近穿堤入江，排江管道與箱涵穿越堤防后均接入堤內新建的消力池及渠道等。工程河段離與長江匯合口較近，屬典型的“兩堤一江”河段，兩岸筑有堤防與護岸工程，河岸土質較好，抗沖力較強，總體河勢基本穩定。工程平面布置如圖1 所示，管道、箱涵穿越堤防情況如圖2 所示。出江管道、箱涵及相關設施開挖施工均安排在枯水期（11 月至次年4 月）間進行。

圖1 工程平面布置圖

圖2 管道、箱涵穿越堤防截面圖

2 技術路徑

依據工程有關設計文件及水文等資料，建立工程河段平面二維水流數學模型，采用定床計算方法，對工程修建后河道壅水高度及影響范圍，工程前后河道流速變化進行計算分析。利用堤防分析軟件，分析計算工程對漢江堤防穩定安全的影響。

3 結果計算與分析

3.1 河道行洪影響

3.1.1 確定計算工況

工程處洪水和水位既受漢江來水影響，也受長江頂托影響，水位流量關系復雜。根據行洪和河勢影響分析的需要，確定3 組計算工況，各工況水流條件如表1 所示。

3.1.2 壅水幅度計算分析

根據計算，工程修建前后附近河道水位變化情況如表2 所示。

表2 各工況下工程前后水位變化表

結果表明，各工況下，工程修建對河段內水位影響有限，最大壅高幅度不超過0.01 m，造成水位抬高0.001 m 以上區域在工程上游20 m 至下游25 m 范圍內，表明工程的修建對河段行洪水位影響較小。

3.1.3 流速變化計算分析

根據計算，工程修建前后附近河道流速變化情況如表3 所示。

表3 各工況下工程前后流速變化表

結果表明，各工況下，工程修建對河段流場及局部流速影響均較小，流速變化主要集中在工程附近，最大變幅不超0.043 m/s，表明工程修建基本不會對河段行洪造成不利影響。

3.2 堤防安全影響

3.2.1 滲透影響計算分析

擬定2 種計算工況：工況一，堤防設計洪水位27.85 m，堤防現狀斷面，水位取堤內最低點高程27.00 m；工況二，堤防設計洪水位27.85 m，管道鋪設回填，消力池等設施施工完成后，管道回填土不密實，回填土滲透系數降一個數量級，水位取堤內最低點高程27.00 m。根據土層物理力學試驗，上覆素填土允許滲透坡降0.40。

計算結果表明，工況一下，堤內300 m 范圍內，堤腳處垂直滲透坡降最大為0.020，沿程滲透坡降逐漸降低，小于允許滲透坡降，滿足滲透穩定要求；工況二下，堤腳處為0.030，管道處為0.024，也滿足滲透穩定要求。

3.2.2 堤坡穩定計算分析

堤坡穩定計算擬定3 種工況：工況一，設計洪水位27.85 m 背水側堤坡穩定（正常運用）；工況二，設計洪水位27.85 m 驟降1 m 至26.85 m 臨水側堤坡穩定（正常運用）；工況三，施工無水期臨水側、背水側堤坡穩定（非正常運用）。計算結果如表4 所示。

表4 （續）

表4 堤坡抗滑穩定安全系數計算表

工程處漢江沿河堤為1 級堤防，根據相關規范要求，1 級土堤正常運用抗滑穩定安全系數不小于1.30，非常運用時抗滑穩定安全系數不小于1.20。結果表明，工程前斷面各工況下，計算得到的堤坡最小抗滑安全系數均大于規范要求允許值，滿足規范要求。工程后斷面，由于管道翻堤鋪設時，對堤身進行開挖，各工況下，計算得到的堤坡最小抗滑安全系數較工程前有所減小，但仍小于規范要求允許值，滿足規范要求。

3.2.3 岸坡穩定計算分析

堤坡穩定計算擬定2 種工況：工況一，灘頂水位22.42 m 驟降1 m 至21.42 m 時岸坡穩定（正常運用）；工況二，施工期漢江設計枯水位12.83 m 臨水側岸坡穩定（非正常運用）。

計算結果如表5 所示。

表5 岸坡抗滑穩定安全系數計算表

根據相關設計規范，1 級邊坡抗滑穩定安全系數最小值正常運用時為1.30～1.25，非常運用時為1.25～1.20。結果表明，工程前、后驟降工況和施工期枯水位工況的最小抗滑安全系數均滿足規范的要求。

4 結論與建議

4.1 結論

工程修建后，所在斷面水位略有抬高，各計算工況下，最大壅高值0.01 m，工程上游河段水位略有降低，最大降幅約0.007 m，發生在5250 m3/s 流量下。工程造成水位抬高0.001 m 以上區域在工程上游20 m至下游25 m 范圍內。各計算工況下，工程修建對河段流場及局部流速影響均較小，變化主要集中在工程局部附近，最大變幅小于0.043 m/s。表明工程修建對河段行洪基本沒有不利影響。

經滲流計算，漢江沿河堤現狀條件下和工程建成后，在大部分情況下，堤后各處覆蓋層垂直滲透坡降小于滲透坡降允許值，滿足規范要求。經抗滑穩定計算，工程前后堤坡、岸坡在各計算工況條件下，抗滑穩定安全系數均大于規范要求允許值，滿足規范要求。

4.2 建議

工程共布置3 條鋼管翻越漢陽沿河堤，并設有自排工程穿越堤防，施工過程中易發生坍塌、地表變形、流砂、管涌等事故，有可能對堤防局部穩定造成不利影響。為有效保障堤防的安全穩定，建議在防洪影響評價基礎上開展工程段堤坡穩定專項設計。

由于施工將破壞堤防原先的護岸工程，因此施工布置時應盡量減小破壞范圍。汛前及工程完工后應及時進行堤防的回填和加固，并對工程附近水域進行河床清理，及時清除臨時施工設施，將施工廢棄物運至河道行洪斷面以外，保證河道行洪通暢。

工程出江口附近坡腳進行了拋石護岸，但仍可能會對其附近地形產生沖刷，應定期對附近地形進行監測，保障工程自身安全以及岸坡的穩定。

工程壓力管道入江口位于宗關水廠取水口下游附近，施工期應注意保護水源，施工期的棄物、堆放物、生活生產排放水等應進行有效管理，減少對河水的污染破壞，確保用水安全。